为了实现自动化集装箱码头AGV作业时能随时随地与中控系统保持实时可靠通信，设计研发AGV无线通信系统。该系统主要由车载子系统、无线网络子系统、有线网络子系统等构成。在现有5.8 GHz无线设备基础上，设计FRSP快速漫游切换协议，实现AGV行进时在基站间频繁无缝漫游切换；设计基于VLAN的LRSP双链路冗余切换协议，实现有线和无线链路同步切换。采用ICMP协议定制开发设备状态快速侦测功能，以满足无线链路拓扑关系的快速变化要求，实现数百网元的网络毫秒级拓扑刷新和设备故障报警。该系统已在青岛港自动化集装箱码头实际应用，能够在港口复杂的作业工况和电磁环境下，为AGV提供持续可靠的通信。

引言

在国际上，自动化码头已有30多年历史，经历从机械化到自动化、从自动化到智能化的发展历程。20世纪80年代中后期，英国泰晤士港、荷兰鹿特丹港、日本川崎港等码头率先尝试建设自动化码头，但受技术、经济和财政等方面影响一度陷入停滞状态。直到1993年世界第1个自动化集装箱码头荷兰鹿特丹港ETC码头投入运营，目前自动化码头已经发展到第4代。

随着“一带一路”建设的大力推进，自动化集装箱码头必将是未来国内外港口建设的重点方向。

AGV作为自动化集装箱码头水平作业区的重要运输装备，其运转效率直接影响整个码头的生产效率。安全、稳定、可靠的无线通信系统是AGV高效运行的技术保障，所以本文开展的研究是针对AGV无线通信系统进行的。

需求分析

1.1 集装箱码头环境现状

由于港口的特殊气候和环境，在集装箱码头部署1套无线通信系统，满足AGV生产作业所需的可靠通信要求，需要解决以下技术问题。

1.1.1 金属结构物的影响

由于金属能对无线电产生较强的反射作用，因此会对无线电系统传输效率和性能造成影响。码头堆场上有大量堆放的全金属结构的集装箱和金属结构的港机，且在集装箱堆场过道和交换区等区域AGV会受到金属物包围，造成该区域无线信号无法有效覆盖。

1.1.2 复杂的无线电频率环境

新建的无线通信系统将会面临码头内外复杂的频率干扰问题，主要包括码头内部现有的无线电设备频率干扰、邻近码头的无线电设备频率干扰等。

1.1.3 设备状态实时监测难度大

AGV生产作业时不间断行进导致无线通信网络的拓扑结构时刻在变化，网络管理系统需要具有快速发现故障网络设备和快速故障报警等能力。

1.1.4 剧烈振动

AGV在装卸集装箱作业过程中会产生机械撞击等，造成剧烈振动，需要解决车载设备的抗振性问题。

1.1.5 沿海气候环境

海港码头地处沿海区域，具有温差大、空气湿度大和盐雾浓度高等气候特点，需要解决设备的环境适应性问题。

1.2  AGV运行工况

AGV是码头前沿海侧作业区与堆场之间搬运集装箱的水平运输工具，工作在水平运输区、陆侧交换区等，其运转效率直接决定整个码头的生产效率。典型自动化集装箱码头作业区示意图见图1。

AGV在水平作业区的高效自动化运转需要持续的网络接入，以保障AGV的业务系统与中控室的中控系统实时通信，而AGV的工作特点又决定其必须采用无线方式进行通信。典型极限复杂工况描述如下：

（1）中控室3班倒，24 h连续作业。

（2）带箱AGV在岸桥后大梁下7条车道并排停靠时，须确保所有车道AGV停靠时通信可靠。

（3）岸桥下方多辆带箱AGV交错并排停靠时，须确保中间被包围的AGV停靠时通信可靠。

（4）带箱AGV在岸桥后大梁下7条车道并排停靠时，须确保所有带箱AGV行驶通过时通信可靠。

（5）多辆带箱AGV并排停靠时，须确保AGV穿行通过时通信可靠。

（6）多辆带箱AGV并排交错停靠时，须确保AGV穿行通过时通信可靠。

典型极限复杂工况示意图见图2。

为保证AGV生产作业效率，要求其整车系统运行的成功率不低于99%，高速车道行驶速度达26 km/h。

1.3  AGV通信业务

AGV是一种以电池为动力，装有非接触导向装置的无人驾驶自动化车辆，按中控室下发的路径规划和作业要求，精准地行驶并停靠到指定地点，完成一系列生产作业任务。AGV车辆见图3。

AGV车载控制系统主要由激光器、可编程控制器和导航控制器等3部分组成，这3部分均通过以太网接口与智能切换单元互联。AGV车载控制系统构成见图4。

AGV上的导航控制器与中控系统的设备控制系统之间通过无线通信系统建立连接，接收车队管理系统发出的作业指令。车队管理系统以100 ms为间隔周期向AGV发送数据包来检测通信链路的连接有效性，保证TCP协议报文传输的实时性。

AGV上的可编程控制器将AGV的坐标、速度、液压、电池、陀螺仪等遥测数据以200 ms为周期上报传输至中控系统的港机设备管理系统服务器。

综上所述，AGV车载业务的通信传输数据量小于100 kb/s，但对数据传输的实时性要求较高，基本以100 ms为周期与中控系统进行持续通信。

1.4  AGV通信安全

AGV与中控系统通信的主要内容包括生产作业调度控制指令、AGV本身的遥测状态等信息，所以对无线通信安全要求是极高的。无线电信号本身是在空中开放领域进行传播的，除了在有线网络中添加工业防火墙等安全设备外，无线通信设备本身要具有完备的安全技术措施，防止信息被截获和控制而导致停车、撞车等安全生产事故。

关键技术和指标

由于AGV运行时对通信可靠性的要求较高，采用双链路冗余热备方案来保障AGV与中控系统的通信。由于AGV的通信链路是由无线网络链路和有线网络链路等2部分组成的，目前国内外还没有标准的网络保护协议适用于这样特殊场景的应用，因此定制开发LRSP双链路冗余切换协议。考虑到要对AGV无线通信系统的设备运行状态进行实时监控，定制开发具有设备状态快速侦测功能的网络设备管理系统。

2.1 先进无线技术

2.1.1 先进的射频技术

2.1.1.1  MIMO和OFDM技术

MIMO（多入多出）和OFDM（正交频分复用）技术是WLAN的核心技术，在4G LTE和高端的无线设备上也采用此技术。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。OFDM技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，再调制到在每个子信道上进行传输。采用OFDM技术的无线设备具有极强的抗多径干扰能力。

2.1.1.2 宽频段射频技术

由于采用宽频段射频技术，无线设备能够在4.9~6.0 GHz连续频段工作且具有ACS自动信道扫描功能。该技术为在港口复杂电磁环境下组网避开无线电频率干扰提供有力的保障。

2.1.2  SLA技术

基站采用TDD时隙划分技术，按照业务需求为其接入的每台远端站提供固定时隙，每台远端站可独享基站为其分配的承诺的带宽。

2.1.3 时钟同步技术

当多个基站设备安装在同一个站点时，可能会出现无线电同频干扰、临频干扰和噪声干扰等。这种干扰会造成网络不稳定、带宽下降、延时加大等问题。

系统采用时钟同步技术和使用统一的时钟源，可以最大化地利用无线电频率并保证无线系统的稳定性、可靠性。通过时钟同步单元，将GPS同步脉冲信号发送到每个基站，同步彼此的信号传输。基站在同一时间收发数据，消除相互干扰的可能性。

此外，时钟同步技术还可保障远端站在基站之间漫游切换过程中的信号收发同步，以达到无缝漫游切换的目的。多基站时钟同步序列示意图见图5，图中：Tx代表基站发送信号；Rx代表基站接收信号；RFP代表无线电频率模式。